CN109326887A - 毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，由多模波纹喇叭和馈电网络组成，馈电网络包括TE01模耦合器、TE21模耦合器、TM01模耦合器、TE01模组合网络、TE21模组和网络、TM01模组合网络、差通道合成网络和TE11模正交器。本发明根据圆波导多模自跟踪原理，在毫米波频段(波长8mm)实现了大功率三通道自跟踪功能，和传统的多喇叭三通道体制相比，在和效率相同的情况下，可以大幅提升差效率，增加了雷达单脉冲跟踪精度和距离。在结构实现上，完全利用仿真设计和机械加工完成无需焊接，连接简单，适于批量生产。

Description

毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源

技术领域

本发明涉及雷达测控技术领域，具体为一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源。

背景技术

随着导弹、火箭、人造卫星和宇航技术的发展，对跟踪雷达的跟踪速度、跟踪精度、跟踪距离和抗干扰能力都提出了越来越高的要求。采用顺序波瓣(如圆锥扫描)的跟踪体制已不能满足跟踪高速飞行器的要求，从而产生单脉冲自跟踪技术。单脉冲自跟踪馈源常用的形式主要有多喇叭体制和多模体制。

多喇叭体制通过对几个喇叭的接收信号进行加减处理得到和路信号、方位差信号及俯仰差信号。当天线对准目标时，差路信号最小，随着目标远离天线轴向，差路信号变大。其中和路信号除了作为发射接收信号之用，同时还要作为参考信号，将目标偏轴所接收到的差信号的极性与和路信号比较，来判断目标偏轴的方向，而差信号的大小则反映了目标偏轴的程度。一个理想的单脉冲天线应该是距离灵敏度和角灵敏度两个指标都为最佳。这样就要求天线的和增益、差增益及差斜率都达到最大。然而任何多喇叭馈源都不能使这三项参数同时最大，这就是所谓的和差矛盾，主要是和增益与差增益的矛盾。在设计时必须折中考虑差喇叭的性能，因此多喇叭体制天线的波束效率都不会很高，很难对高速、非合作目标跟踪。

多模体制是以和模为基准，利用差模电场方向图在天线轴向为零值而在偏轴角度上又有极性的特点来实现自跟踪。以TE11为和模，TM01、TE21和TE01模为差模的多模自跟踪方式是一种先进的跟踪方式。多模组合的单脉冲自跟踪馈源具有与四喇叭单脉冲馈源相似的差通道性能，然而和通道的性能则由单口径的喇叭性能决定，这就保证了差通道性能的同时最优，也可以说从基本上解决了和差矛盾。

目前尚没有公开文献中同时使用TE11、TM01、TE21和TE01模的多模自跟踪的馈源，目前已有的多模自跟踪方式主要还是采用TE11为和模，TE21为差模的多模跟踪方式。相对于多喇叭的单脉冲三通道跟踪体制，圆波导多模自跟踪体制可以大大降低天线效率上存在的和差矛盾问题，从而获得很好的距离跟踪性能和较高的角度跟踪性能。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于各类面天线的毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，可同时工作在水平和垂直线极化，每种极化均具有和路、方位和俯仰差路三路信号输出，和路可进行接收信号的传输，差路信号可作用于控制天线伺服***，使天线快速对准目标，并具有连续自动跟踪能力。

本发明的技术方案为：

所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：由多模波纹喇叭和馈电网络组成，采用多模三通道自跟踪体制，最终输出接收、方位跟踪和俯仰跟踪3个通道信号；

所述馈电网络包括TE01模耦合器、TE21模耦合器、TM01模耦合器、TE01模组合网络、TE21模组和网络、TM01模组合网络、差通道合成网络和TE11模正交器；每个耦合器均采用主通道圆波导和相对主通道中心轴线对称分布的矩形波导相配合结构；

波纹喇叭通过连接法兰与TE01模耦合器相连，TE01模耦合器由四个矩形波导输出，四个矩形波导通过TE01模组合网络合成起来，输出的TE01模信号经过移相弯头接到差通道合成网络上；

TE01模组合网络后为TE21模耦合器，TE21模耦合器采用两个45度正交的耦合器构成，在同一段圆波导同时耦合出TE21模和正交的TE21*模，TE21模耦合器由八个矩形波导输出，八个矩形波导通过TE21模组合网络合成起来，输出的TE21模和TE21*模信号经过移相弯头接到差通道合成网络上；

TE21模组合网络后为TM01模耦合器，TM01模耦合器由四个矩形波导输出，四个矩形波导通过TM01模组合网络合成起来，输出的TM01模信号直接连接到差通道合成网络上；

差通道合成网络输出方位跟踪和俯仰跟踪两个通道信号；

TE11模正交器连接在差通道合成网络之后，输出接收通道信号。

进一步的优选方案，所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述波纹喇叭的喇叭后口圆波导的半径R满足1.64R≥λmax，λmax为TE01模的截止波长；且根据照射角和照射电平，优化喇叭口径、张角、波纹槽参数，使喇叭方向图达到等化要求。

进一步的优选方案，所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述TE01模耦合器由作为主耦合线的圆波导和作为副耦合线的矩形波导构成，在圆波导周向均匀分布有四个矩形波导；四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TE01模的0dB耦合，而对圆波导中的主模TE11模和其它高次模不耦合；

TE01模组合网络由从矩形波导E面中心分开且对称加工的上下两个盖板通过螺钉连接组成；包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成的平面魔T；；TE01模组合网络有4个入口和一个出口，入口通过H弯波导和TE01模耦合器副波导出口相连，出口通过移相弯头接到差通道合成网络。

进一步的优选方案，所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述TE21模耦合器由两个45度正交的耦合器构成，且两个45度正交的耦合器共用一个作为主耦合线的圆波导，每个耦合器还具有在圆波导周向均匀分布的四个矩形波导，共形成八个在圆波导周向均匀分布的矩形波导；其中一个耦合器的四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TE21模的0dB耦合，另一个耦合器的四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TE21*模的0dB耦合；

TE21模组合网络分为上层组合网络和下层组合网络，分别合成TE21模信号和TE21*模信号，每层组合网络为从矩形波导E面中心分开且对称加工的上下两个盖板通过螺钉连接组成；

每层组合网络包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成的平面魔T；每层组合网络有4个入口和一个出口，入口通过H弯波导和相应耦合器副波导出口相连，出口通过移相弯头接到差通道合成网络。

进一步的优选方案，所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：上层组合网络和下层组合网络共由三层盖板组成，其中上层盖板的下表面与中间盖板的上表面组成上层组合网络，中间盖板的下表面与下层盖板的上表面组成下层组合网络。

进一步的优选方案，所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述TM01模耦合器由作为主耦合线的圆波导和作为副耦合线的矩形波导构成，在圆波导周向均匀分布有四个矩形波导；四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TM01模的0dB耦合，而对圆波导中的其它模不耦合；

TM01模组合网络为从矩形波导E面中心分开且对称加工的上下两个盖板通过螺钉连接组成；包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成的平面魔T；组合网络有4个入口和一个出口，入口通过E弯波导和TM01模耦合器副波导出口相连，出口直接连接差通道合成网络。

进一步的优选方案，所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：通过对TE01模、TE21模中采用的移相弯头的尺寸进行调整，能够使得TE01模、TE21模和TM01模的幅度和相位相等，之后通过差通道合成网络进行和差运算，能够实现TE01模、TE21模和TM01模的辐射方向图差斜率等化。

进一步的优选方案，所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述差通道合成网络通过组合波导魔T实现，组合波导魔T包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成。

有益效果

本馈源根据圆波导多模自跟踪原理，在毫米波频段(波长8mm)实现了大功率三通道自跟踪功能，和传统的多喇叭三通道体制相比，在和效率相同的情况下，可以大幅提升差效率，增加了雷达单脉冲跟踪精度和距离。在结构实现上，完全利用仿真设计和机械加工完成无需焊接，连接简单，适于批量生产。另外，如果在差通道合成网络中再增加一路电桥，还可以方便的形成圆极化工作模式，进而扩大该馈源的使用领域。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：多模馈源组合框图；

图2：多模自跟踪差信号合成原理图；

图3：圆波导多模三通道跟踪馈源结构图；

图4：波纹喇叭结构示意图；

图5：TE01模耦合器结构示意图；(a)轴视图，(b)端面视图；

图6：TE01模耦合器组合网络结构示意图；(a)上盖板，(b)下盖板；

图7：TE21模耦合器圆波导结构示意图；

图8：TE21模耦合器组合网络结构示意图；(a)上层组合网络上盖板，(b)上层组合网络下盖板，(c)下层组合网络上盖板，(d)下层组合网络下盖板；

图9：TM01模耦合器圆波导结构示意图；

图10：TM01模耦合器组合网络结构示意图；(a)上盖板，(b)下盖板；

图11：移相弯头；

图12：差通道合成网络原理图；

图13：差通道合成网络结构示意图；

图14：正交器结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

多模自跟踪馈源由多模波纹喇叭和馈电网络组成，采用多模三通道自跟踪体制，最后输出3个通道：接收、方位跟踪和俯仰跟踪。馈电网络部件主要包括TE01模耦合器、TE21模耦合器、TM01模耦合器、TE01模组合网络、TE21模组和网络、TM01模组合网络、正交器等部件。馈源组成框图如1所示。

圆波导多模馈源***只有将TE01、TE21、TM01三种差模通过合成后才能产生方位跟踪和俯仰跟踪通道，这是与测控或通信用单脉冲天线工作体制所不同的，其差路(跟踪通道)合成原理如图2所示。

考虑到主通道和模信号(TE11模)和差模信号(TE01、TE21、TM01)同时可以传输，因此喇叭后口圆波导的尺寸必须满足可以传播所有需要的模式，考虑工作带宽的要求，以及圆波导口径需满足传输信号频率大于波导截止频率的要求。根据截止频率，整个馈源网络前后排列顺序是TE01、TE21、TM01耦合器和TE11模正交器，圆波导口径逐渐变小，每个耦合器之间均有圆过渡连接，每个耦合器均采用了主通道圆波导和相对主通道中心轴线对称的四个矩形波导的结构。

圆波导多模三通道跟踪馈源结构如图3所示，波纹喇叭通过连接法兰与TE01模耦合器相连，TE01模耦合器由四个矩形波导输出，四个矩形波导通过TE01模组合网络合成起来，输出的TE01模信号经过移相弯头接到差通道合成网络上。TE01模组合网络后为TE21模耦合器，需要说明的一点是TE21模耦合器是采用了两个45度正交的耦合器构成，实际就是在同一段圆波导段同时耦合出TE21模和正交的TE21*模，TE21模耦合器由八个矩形波导输出，八个矩形波导通过TE21模组合网络合成起来，输出的TE21模和TE21*模信号经过移相弯头接到差通道合成网络上。TE21模组合网络后为TM01模耦合器，TM01模耦合器由四个矩形波导输出，四个矩形波导通过TM01模组合网络合成起来，输出的TM01模信号直接连接到差通道合成网络上。TE11模正交器连接在差通道合成网络的后面。

(1)波纹喇叭

波纹喇叭同时可以传输和模信号(TE11模)和差模信号(TE01、TE21、TM01)，因此喇叭后口圆波导的尺寸必须满足可以传播所有需要的模式，TE01模的截止波长最大，因此喇叭后口圆波导的半径R满足1.64R≥λmax，λmax为TE01模的截止波长。根据照射角和照射电平，优化喇叭口径、张角、波纹槽参数，使喇叭方向图达到等化要求。对于毫米波波纹喇叭要考虑加工条件，合理分配波纹槽和波纹齿宽度，不使用环加载或者周期数尽可能少，波纹喇叭结构示意图如图4所示。

(2)TE01模耦合器和组合网络

TE01模耦合器是一个可以选定特定模式的选模耦合器，由作为主耦合线的圆波导和作为副耦合线的矩形波导构成，在圆波导周向均匀分布有四个矩形波导；其工作原理是通过选定合适的波导尺寸，使***的四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TE01模的0dB耦合，而对圆波导中的主模TE11模和其它高次模不耦合，耦合器的结构示意图如图5所示。

TE01模组合网络包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成的平面魔T；其结构示意图如图6所示。使用魔T可以保证每个输入端口间良好的隔离度，对于以后差模合成三通道时，可以保证方位和俯仰通道的交叉耦合性能。考虑到毫米波的工作频段，为减小损耗，3dB电桥采用波导形式，而毫米波的波导横截面尺寸小，不易加工，在此采用了平面波导一体化加工的方法来实现，利用从矩形波导E面中心分开(E面中心不切断表面电流，不会因缝隙产生辐射损耗)，且对称加工，分成上下两个盖板，可以直接螺钉连接而不用焊接，；TE01模组合网络组合网络有4个入口和一个出口，入口通过H弯波导和耦合器副波导出口相连，一个出口通过移相弯头接到差通道合成网络。

(3)TE21模耦合器和组合网络

TE21模耦合器由两个45度正交的耦合器构成，且两个45度正交的耦合器共用一个作为主耦合线的圆波导，每个耦合器还具有在圆波导周向均匀分布的四个矩形波导，共形成八个在圆波导周向均匀分布的矩形波导，见图7；其中一个耦合器的四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TE21模的0dB耦合，另一个耦合器的四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TE21*模的0dB耦合；实际就是在同一段圆波导段同时耦合出TE21模和正交的TE21*模，这样可以节约纵向长度和加工成本。

TE21模组合网络分为两个独立的上层组合网络和下层组合网络，分别合成TE21模信号和TE21*模信号，每层组合网络为从矩形波导E面中心分开且对称加工的上下两个盖板通过螺钉连接组成；每层组合网络包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成的平面魔T；每层组合网络有4个入口和一个出口，入口通过H弯波导和相应耦合器副波导出口相连，一个出口通过移相弯头接到差通道合成网络，如图8所示。

在加工时，上层组合网络和下层组合网络可由三层盖板组成，其中上层盖板的下表面与中间盖板的上表面组成上层组合网络，中间盖板的下表面与下层盖板的上表面组成下层组合网络。

(4)TM01模耦合器和组合网络

TM01模耦合器由作为主耦合线的圆波导和作为副耦合线的矩形波导构成，如图9所示，在圆波导周向均匀分布有四个矩形波导；四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TM01模的0dB耦合，而对圆波导中的其它模不耦合。

TM01模组合网络为从矩形波导E面中心分开且对称加工的上下两个盖板通过螺钉连接组成；包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成的平面魔T；组合网络有4个入口和一个出口，入口通过E弯波导和耦合器副波导出口相连，一个出口连接差通道合成网络，如图10所示。

(5)移相弯头

各差模信号的幅度和相位相等是通过移相波导实现的，移相波导具有改变波导长度和消除色散的作用，如图11所示。移相弯头的波导长度可以控制路径差在中心频点的一个波长内，而波导的宽边可以变宽或变窄，通过宽边变宽或变窄可以增加等相的工作带宽。所以通过对TE01模、TE21模中采用的移相弯头的尺寸进行调整，使得TE01模、TE21模和TM01模的幅度和相位相等，之后通过差通道合成网络进行和差运算，实现TE01模、TE21模和TM01模的辐射方向图差斜率等化。

(6)差通道合成网络

差通道合成网络通过组合波导魔T实现，组合波导魔T包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成。其原理图如图12所示，结构图如图13所示。

(7)TE11模正交器

和信号通过正交模耦合器形成垂直极化和水平极化两路和模信号，正交模耦合器对于两个互相正交的极化波来而言是一个分离的或者是混合的元件。OMT可鉴别公共端口(一般为圆波导或方波导)上两个正交主模的独立信号，并将它们供给单一信号端口的基模，使所有端口匹配，且在两个信号之间有高的极化鉴别能力。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：由多模波纹喇叭和馈电网络组成，采用多模三通道自跟踪体制，最终输出接收、方位跟踪和俯仰跟踪3个通道信号；

所述馈电网络包括TE01模耦合器、TE21模耦合器、TM01模耦合器、TE01模组合网络、TE21模组和网络、TM01模组合网络、差通道合成网络和TE11模正交器；每个耦合器均采用主通道圆波导和相对主通道中心轴线对称分布的矩形波导相配合结构；

波纹喇叭通过连接法兰与TE01模耦合器相连，TE01模耦合器由四个矩形波导输出，四个矩形波导通过TE01模组合网络合成起来，输出的TE01模信号经过移相弯头接到差通道合成网络上；

TE01模组合网络后为TE21模耦合器，TE21模耦合器采用两个45度正交的耦合器构成，在同一段圆波导同时耦合出TE21模和正交的TE21*模，TE21模耦合器由八个矩形波导输出，八个矩形波导通过TE21模组合网络合成起来，输出的TE21模和TE21*模信号经过移相弯头接到差通道合成网络上；

TE21模组合网络后为TM01模耦合器，TM01模耦合器由四个矩形波导输出，四个矩形波导通过TM01模组合网络合成起来，输出的TM01模信号直接连接到差通道合成网络上；

差通道合成网络输出方位跟踪和俯仰跟踪两个通道信号；

TE11模正交器连接在差通道合成网络之后，输出接收通道信号。

2.根据权利要求1所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述波纹喇叭的喇叭后口圆波导的半径R满足1.64R≥λmax，λmax为TE01模的截止波长；且根据照射角和照射电平，优化喇叭口径、张角、波纹槽参数，使喇叭方向图达到等化要求。

3.根据权利要求1所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述TE01模耦合器由作为主耦合线的圆波导和作为副耦合线的矩形波导构成，在圆波导周向均匀分布有四个矩形波导；四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TE01模的0dB耦合，而对圆波导中的主模TE11模和其它高次模不耦合；

TE01模组合网络由从矩形波导E面中心分开且对称加工的上下两个盖板通过螺钉连接组成；包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成的平面魔T；；TE01模组合网络有4个入口和一个出口，入口通过H弯波导和TE01模耦合器副波导出口相连，出口通过移相弯头接到差通道合成网络。

4.根据权利要求1所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述TE21模耦合器由两个45度正交的耦合器构成，且两个45度正交的耦合器共用一个作为主耦合线的圆波导，每个耦合器还具有在圆波导周向均匀分布的四个矩形波导，共形成八个在圆波导周向均匀分布的矩形波导；其中一个耦合器的四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TE21模的0dB耦合，另一个耦合器的四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TE21*模的0dB耦合；

TE21模组合网络分为上层组合网络和下层组合网络，分别合成TE21模信号和TE21*模信号，每层组合网络为从矩形波导E面中心分开且对称加工的上下两个盖板通过螺钉连接组成；

每层组合网络包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成的平面魔T；每层组合网络有4个入口和一个出口，入口通过H弯波导和相应耦合器副波导出口相连，出口通过移相弯头接到差通道合成网络。

5.根据权利要求4所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：上层组合网络和下层组合网络共由三层盖板组成，其中上层盖板的下表面与中间盖板的上表面组成上层组合网络，中间盖板的下表面与下层盖板的上表面组成下层组合网络。

6.根据权利要求1所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述TM01模耦合器由作为主耦合线的圆波导和作为副耦合线的矩形波导构成，在圆波导周向均匀分布有四个矩形波导；四根矩形波导耦合臂通过耦合孔实现对圆波导中TM01模的0dB耦合，而对圆波导中的其它模不耦合；

TM01模组合网络为从矩形波导E面中心分开且对称加工的上下两个盖板通过螺钉连接组成；包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成的平面魔T；组合网络有4个入口和一个出口，入口通过E弯波导和TM01模耦合器副波导出口相连，出口直接连接差通道合成网络。

7.根据权利要求1所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：通过对TE01模、TE21模中采用的移相弯头的尺寸进行调整，能够使得TE01模、TE21模和TM01模的幅度和相位相等，之后通过差通道合成网络进行和差运算，能够实现TE01模、TE21模和TM01模的辐射方向图差斜率等化。

8.根据权利要求1所述一种毫米波圆波导多模三通道跟踪馈源，其特征在于：所述差通道合成网络通过组合波导魔T实现，组合波导魔T包括多级功分器，每一级功分器为由3dB电桥和90度移相波导构成。